DE977916C

DE977916C -

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Publication number: DE977916C
Application number: DENDAT977916D
Authority: DE
Priority date: 1961-05-25
Also published as: GB1304831A

Description

fangssystems geneigte Achse rotiert und dessen Flächennormale einen kleinen Winkel gegen die Rotationsachse bildet. Infolgedessen wird das Bildfeld elliptisch verzerrt und dessen Ebene in Abhängigkeit vom Umlauf winkel gegen die Ebene der Modulationsscheibe geneigt, so daß der Durchmesser des von einem punktförmigen Objekt verursachten Strahlerbündels in der Ebene der Modulationsscheibe größer ist als der Bildpunktdurchmesser oder bestenfalls diesem

ίο gleich und zusätzlich mit dem Umlauf veränderlich ist. In dem mit einem Taumelspiegel versehenen Modulationssystem muß daher die Schlitzbreite der Modulationsblende entsprechend größer sein, wenn ein zu einem Bildpunkt gehöriges Strahlenbündel vollständig moduliert sein solL Damit ist aber automatisch eine verstärkte Modulation der Hintergrundstrahlung verbunden, was zu einem geringen Auflösungsvermögen und zu einer wesentlich kleineren Reichweite des Gerätes führt.

ao Solche Nachteile und Schwierigkeiten sind durch die erfindungsgemäße Vorrichtung vollständig überwunden. Bei ihr wird nämlich das Bildfeld in seiner Kreisflächenform unverändert in die Ebene der Modulationsblende abgebildet. Das Bildfeld bleibt eben und parallel zur Modulationsblende. Form und Größe de* einzelnen Bildpunktes ändern sich nicht.

Es ist daher möglich, das Empfangssystem mit einer feinuntcrteilten Modulationsblende zu versehen, wodurch eine hohe Genauigkeit für die Auflösung zwi-

3<J sehen Punkt- und Flächenzielen und eine optimale Hintergrundsunterdrückung gewährleistet wird.

Aus der USA.-Patentschrift 2 873 381 ist zwar eine rotierende Abtastvorrichtung mit zwei unter etwa 45° zur optischen Achse geneigten, einander ungefähr parallelen Spiegelflächen bekannt, durch die eine angenäherte Parallelversetzung zwischen dem ein- und austretenden Strahlenbündel erreicht wird. Im Unterschied zum Gegenstand der Erfindung wird jedoch bei der bekannten Abtastvorrichtung ein »gedachter« Umlauf zweier Empfangselemente im Beobachtungsfeld bewirkt und nicht — wie es beim Erfindungsgegenstand vorgesehen ist — ein effektiver Umlauf des Abbildes des Beobachtungsfeldes auf einem Empfangselement bzw. einer davor befindliehen Modulationsblende.

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß zur Verwendung eines Empfangselements, dessen Oberfläche in an sich bekannter Weise kleiner als die Fläche der Modulationsblende ist, zwischen der Modulationsblende und dem Empfangselement ein zweites, als Rücklenkprisma wirkendes Rhomboidprisma gleicher Bauform in spiegelsymnietrischer Lage gegenüber dem Auslenkprisma angeordnet und synchron • und gleichphasig mit dem Aiislenkprisma um die optische Achse drehbar ist.

Diese Maßnahme erlaubt es, von den Vorteilen kleinflächiger Empfänger Gebrauch zu machen. Diese Vorteile sind in erster Linie darin zu sehen, daß das Empfangssystem hinsichtlich Empfindlichkeit, Signal-Rauschverhältnis und Reichweite optimal ausgelegt werden kann.

Die weitere Erläuterung der Erfindung und ihrer Ausgestaltungen erfolgt an Hand der Zeichnungen.

Im Rahmen von Ausfühnsngsbeispielen zeigt

A b b. 1 eine bei der Vorrichtung nach der Erfindung verwendbare Modulationsblende,

A b b. 2 ein Schema des Strahienverlaufs innerhalb einer Optik zur Erzeugung einer Abbildung des Beobachtungsfeldes,

A b b. 3 die Lage eines punktförmigen Zielobjektes im Beobachtungsfeld,

A b b. 4 die Lage des als Bildpunkt abgebildeten Zielobjektes innerhalb des Bildfeldes,

A b b. Sa und Sb mögliche Ausfühxungsformen von bei der Vorrichtung nach der Erfindung verwendbaren Rhomboidprismen,

A b b. 6 und 8 geometrische Darstellungen des Bildfeldumlaufs,

A b b. 7 und 9 graphische Darstellungen der verschiedenen Modulationsfrequenzen und

Abb. 10 eine Gesamtübersir.ht über e.ine Vor-' richtung nach der Erfindung, dargestellt als optisches System einschließlich eines Blockschalthildes der Auswerteelektronik.

Die Modulationsblende 10 gemäß Abb. 1 besteht aus für die zu empfangende Objektstrahlung abwechselnd durchlässigen Schlitzen 1 und undurchlässigen Stegen 2. Die Lage der Modulationsblende 10 ist aus der Abb. 2 zu ersehen.

Das hierin schematisch dargestellte zylindersymmetrischi· optische System zur Erzeugung einer Abbildung des Beobachtungsfeldes ist in diesem Beispiel als Spiegelsystem 3 ausgebildet. Es besitzt ein ebenes, kreisförmig begrenztes Bildfeld Aa, dessen Mittelpunktsnormale mit der Achse 5 des Spiegelsystems 3 identisch ist.

Der Bildpunkt eines in der Achse S liegenden punktförmigen Objektes entsteht dann im Mittelpunkt 6 des Bildfeldes.

In der Abb. 3 ist die Lage eines punktförmigen Zielobjektes 7 dargestellt, daß vom Ort des Empfangssystems aus unter den Ablagewinkeln Φ und y> beobachtet wird. Diesem Zielobjekt 7 entspricht im Bildfeld, wie in Abb. 4 gezeigt ist, ein Bildpunkt 8 mit den Polarkoordinaten <p₀ = Φ und r = F · tg ψ, wobei F die Bündelungsweite des Spiegelsystems ist.

Das als Auslenkprisma wirkende Rhomboidprisma 9, wie es beispielsweise auch aus den Abb. 5 a oder Sb hervorgeht, ist nun so zwischen das Spiegelsystem 3 und die Modulationsblende 10 gebracht, daß die Mittelpunktsnormale der Prismenstirnseite 9« oder 9 b (s. Abb. 5 a und 5 b) mit der Achse 5 zusammenfällt. Dadurch wird das Bildfeld, wenn der Brechungsindex des Prismenvolumens gegenüber Luft gleich 1 beträgt, um die Länge p der Prismenkante in Richtung der Achse 5 und um die Länge q senkrecht zur Achse 5 verschoben. Das jetzt entstehende Bildfeld 4 bleibt dabei gleichförmig zu dem ohne Auslenkprisma entstehenden Bildfeld 4a, und die Achsen x, y behalten ihre Richtung bei. iao

Das Bildfeld 4 wird dann um einen geringeren Betrag als p in Richtung der Achse 5 verschoben, wenn der Brechungsindex des Prismen volumen s gegenüber Luft größer als 1 ist.

Die ruhende; Modulationsblende 10 'befindet sich in der Ebene des Bildfeldes 4. Rotiert nun das Rhom-

boidprisma 9 mit konstanter Umlauffrequenz f_Q um die Achse 5 des Empfangssystercs, so bewegt sieb das Bildfeld 4 mit gleicher Liniauffrequenz auf einem Kreisring H um den Bezugspunkt 12, wie an Hand dei Abb. 6 gezeigt wird. Die Achsen x, y des Bildfeldes behalten dabei ihre Richtung. Der Mittelpunktö des Bildfeldes 4 durchläuft infolgedessen einen Kreis 13 um dui Bezugspunkt 12, dessen Radius gleich der Länge q des Prismenabstandes ist. Jeder andere

to Punkte des Bildfeldes4 beschreibt in der Modulationsebene einen dazu exzentrischen Kreis 14 mit dem . gleichen Radius. Die Exzentrizität des Kreises nach Betrag und Richtung ist jeweils durch die Koordinaten r und <p₀ bzw. y und χ des betreffenden Punktes8

is des Bildfeldes 4 gegeben. Der Mittelpunkt des Kreises :14 hat zum Bezugspunkt 12 die gleichen Koordinaten r und γ₀.

Befindet sich also das Objekt in der Achse 5 des Emptangssystems, so fällt der entsprechende BiId-

ao punkt mit dem Mittelpunkt 6 des Bildfeldes zusammen und der Mittelpunkt des mit der Umlauffrequenz f₀ durchlaufenen Kreises mit dem Bezugspunkt 12. Die hinter der Modulationsblende 10 erscheinende Modulationsfrequenz /"j des Bildpunktes ist in diesem

»5 Falle konstant, und zwar ist /", = Mf₀, wobei η die Anzahl der Schlitze der Modulationsblende 10 ist (s. Abb. 7).

Befindet sich das Objekt außerhalb der Achse 5 des Empfangssystems, so besitzt der entsprechende Bildpunkt im Bildfeld die Polarkoordinaten r und ψ₀ (s. Abb. 8). Der ebenfalls mit der Umlauffrequenz /"„ durchlaufene Kreis 14 hat seinen Mittelpunkt 15 ebenfalls im Abstand r vom Bezugspunkt 12 sowie einen Winkel ^₀ gegenüber der willkürlich ge-Wählten Bezugsrichtung λ'. Die hinter der Modulationsblende abzunehmende Modulationsfrequenz /", ist in diesem Falle mit der Umlauffrequenz f₀ periodisch veränderlich und in dei Amplitude der Frequenzänderung von r, in der Phase φ von ψ₀ abhängig.

Das Maximum der Frequenz /Ί liegt bei ψ = π + ψ₀, das Minimum der Frequenz f_x bei ψ = <p₀. Angenähert besteht zwischen den Frequpnzen f_x und /"„ der Zusammenhang

Λ = «Λ,

wobei R = q der Radius des Kreises 14 und ρ der mit φ veränderliche Radiusvektor vom Bezugspunkt 12 zum Bildpunkt 8 ist. Für ρ (r, <p₀, φ) gilt

ρ = r (sin 9P₀ · sin φ + cos <p₀ · cos φ)

„ <-) {[(sin ψ₀ ■ sin φ -f cos <p₀ ■ cos φ)²-1] r* + R*}¹'* . 55

Für φ — φ₀ ist ρ = R + r,

füi φ = π + ψ₀ ist ρ = R — r.

Die beiden Extremfrequenzen sind demnach

/imin = ^TT— ⁿfo ^und Λ max =

R + r

R-r

Der maximale Frequenzhub gegenüber der konstanten Frequenz f, β η· f₀ bat damit bei ψ = ψο den Betrag

Δ f (,-{mas — tr ' ^M7o

R ·+· r

und bei φ = π + ψ₀ den Betrag

R —

ⁿfo·

Der Frequenzhub über den gesamten Umlauf beträgt

ai= /max — /min —

rR

Der zeitliche Verlauf der Modulationsfrequenz /", ist in der Abb. 9 für die Fälle r > O, ψ<₀ = O, -^- und -^~ aufsezeichnet. Die Polaikoordinaten r und </₀ des Bildpunktes 8 im Bildfeld sind demnach bestimmbar durch den maximalen Frequenzhub, die Amplitude der Frequenzmodulation und durch die Phasenbeziehung der Frequenzmodulation zur willkürlich angenommenen Bezugsrichtung. Entsprechendes gilt für die Bestimmung der kartesischen Koordinaten χ und y mit Hilfe der Beziehungen χ = r · cos ^₀ und y = r · sin ψ₀.

Aus der Abb. 10 ist eine Gesamtübersicht über die erfindungsgemäße Vorrichtung zur koordinatenmäßigen Bestimmung der Lage eines Objektes in einem Beobachtungsfeld zu entnehmen.

Darin enthält das Empfangssystem ine Liiucn-Spiegeloptik a, ein Auslenkprisma b, eine Modulationsblende c, ein Rücklenkprisma d, einen optischen S?T»melkörper e (der auch gleichzeitig als Wellenlängenfilter ausgebildet sein kann) und einen Empfänger f.

Die dem Empfänger f nachfolgende Auswerteelektronik besteht aus einem Referenzgenerator g, einem Bandpaß h, einem Verstärker i, einem Demodulator j, einem ^"-Phasenschieber k für die ^/-Richtung, einem Demodulator / für die »-Richtung, einem Demodulator m für die ^-Richtung, einem Tiefpaß η für die #-Steuerspannung und einem Tiefpaß 0 für die y-Steuerspannung.

Das Empfangssystem ist für die Anwendung infraroter und/oder sichtbarer und/oder ultravioletter Strahlung ausgelegt.

Auslenkprisma b und Rücklenkprisma d bestehen aus dem gleichen Werkstoff und besitzen die gleichen Abmessungen. Sie rotieren synchron und in gleicher Phase, so daß das Bildfeld nach der Modulation genau urn den Betrag der vorherigen Auslenkung verzerrungsfrei und gleichförmig auf die optische Achse iao zurückgelenkt wird. Eine dem Rücklenkprisma d folgende Sammeloptik e bündelt die frequenzmodulierte Strahlung auf einen Empfänger f von relativ kleiner nutzbarer Oberfläche.

Der Referenzgenerator g liefert eine zu /"„ synchrone Wechselspannung, deren Phase z. B. so

liegt, daß das Maximum dem Durchgang des Bildfeld Mittelpunktes 6 durch die als Bezugsrichtung gewählte »-Achse mit 95 = O entspricht. Der Referenzgenerator g kann ein mit dem rotierenden Prismensystem gekoppelter Wechselstromgenerator sein oder auch eine Fotozelle, die phasengleich mit Licht der Modulationsfrequenz /"₀ bestrahlt wird.

Die koordinatenabhängige Steuerspannung für die x- bzw. y-Richtung wird von der Auswerteelektronik geliefert.

Der Frequenzbereich der Fotospannung wird, um ein maximales Nutz-Stör-Signalverhältnis zu erzielen, durch den Bandpaß h auf

nfo — Δ f(__)max bis nf₀ + Δ /"(+)max

eingeengt. Das Ausgangssignal wird demnach in dem mehrstufigen Verstärker i hochverstärkt und dem Frequenzdemodulator j zugeführt, der eine mit f₀

ao periodische Spannung liefert, welche der Änderung der Modulationsfrequenz f-y als Folge der Prismendrehung entspricht.

Die Amplitude der Spannung ist dem Frequenzhub proportional, die Phase entspricht der Phase der

as Frequenzmodulation. Die Modulationsspannung wird an die beiden Ringdemodulatoren I und m für die «-Richtung bzw. y-Richtung weitergegeben; sie bestimmen die Phasenlage der Modulationsspannung im Vergleich zu der Referenzspannung, die der Referenzgenerator g direkt für die ^-Richtung und über den ^"-Phasenschieber k für die y-Richtung liefert. Die Ausgangsspannungen der beiden Demodulatoren I und m werden in den nachfolgenden Tiefpässen η und ο von Restanteilen der Modulationsspannung und deren Oberwellen gereinigt. Die beiden an den Ausgängen der Tiefpässe η und 0 auftretenden Signal-Gleichspannungen sind ein Maß für die x- und die y-Koordinate des Bildpunktes. Sie können in Verbindung mit den bekannten Größen des Empfangssystems zur Bestimmung der Ablage des Punktobjektes von der optischen Achse dienen oder als Stcuerspannungen für einen Ziel-Nachführmechanismtis.

An Stelle einer kombinierten Linsen-Spiegeloptik kann für die oben gerannten Wellenlängenbereiche entweder eine reine Linsenoptik oder eine reine Spiegeloptik verwendet werden; die Auslenk- und Hücklenkprismen können aus jeweils zwei parallelen Planspiegeln als Hypotemisenflächen bestehen oder aus entsprechenden Spiegelhohlkörpem oder aus VoIlmaterial mit geeigneter Transparenz und Refraktion, wobei die Hypotenusenflächen an sich total oder durch geeignete Verspiegelung total reflektieren sollen. Die Modulationsblende kann auf einen transparenten Träger aufgebracht oder aus nichttransparentem Werkstoff gearbeitet sein. Als Sammelkörper kommen Linsen bzw. Linsensysteme oder Reflexionskondensoren in Betracht. Für den infraroten, sichtbaren bzw. ultravioletten Bereich können Fotoempfänger wie etwa polykristalline PhotozeHen, Fotodioden, Fototransistoren, Fotowiderstande, DK-Zellen, Fotoemissionsröhren, thermische Empfänger wie z. B.

^: Thermoelemente, Thermosäulen, Bolometer oder thermopneumatische Elemente verwendet werden.

Soll die erfindungsgemäße Vorrichtung so ausgelegt sein, daß die koordinatenmäßige Bestimmung von Objekten möglich ist, die elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich der Funkmeßtechnik emittieren oder remittieren, so läßt sich die Vorrichtung folgendermaßen abwandeln: Als Bündelungssystem, Hypotenuseflächen der Auslenk- und Rücklenkprismen und Sammelkörper dienen Reflektoren; als Empfänger dienen Antennen oder tiefgekühlte Halbleiterelemente. Die Modulationsblende muß in ihren Dimensionen auf die im Vergleich zu optischen Wellen große Wellenlänge abgestimmt sein.

Für die Anwendung auf akustische Wellen, z. B. auf Ultraschall, werden das Bündelungssystem, die Hypotenusenflächen der Prismenkörper und der Sammelkörper von Reflektoren gebildet oder auch als Linsen- bzw. Prismensysteme aus geeignetem Vollmaterial hergestellt. Als Empfänger dienen Mikrophone, Halbleiterelemente, Thermoelemente, piezoelektrische Elemente, thermopneumatische Elemente oder Resonatoren.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Vorrichtung zur koordinatenmäßigen Bestimmung der Lage eines Objekts in einem Beobachtungsfeld, versehen mit einem Bündelungssystem zur Erzeugung einer Abbildung des Beobachtungsfeldes; mit rotierenden Ablenkmitteln zur Erzeugung eines kreisförmigen Umlaufs des Bildfeldes auf der Oberfläche einer feststehenden, mit der Systemachse zentrierten, radial verlaufende Schlitze aufweisenden Modulationsblende; mit einem Empfangselement zur Aufnahme der modulierten Objoktstrahlung sowie mit einer nachgeschalteten elektronischen Einrichtung zur Bildung von den Objektkoordinaten proportionalen Spannungen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung eines verzerrungsfreien Bildfeldumlaufs zwischen dem Bündelungssystem und der Modulationsblende ein als Auslenkprisma wirkendes Rhomboidprisma derart angeordnet ist, daß die Mittelpunktsnormale der Prismenstirnseite mit der Systemachse zusammenfällt, und daß das Prisma um diese Achse drehbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verwendung eines Empfangselements, dessen Oberfläche in an sich bekannter Weise kleiner als die Fläche der Modulationsblende ist, zwischen der Modulationsblende und dem Empfangselement ein zweites, als Rücklenkprisma wirkendes Rhomboidprisma gleicher Bauform in spiegelsymmetrischer Lage gegenüber dem Auslenkprisma angeordnet und synchron und gleichphasig mit dem Auslenkprisma um die Systemachse drehbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge- lao kennzeichnet, daß zwischen dem Rücklenkprisma und dem Empfangselement ein geeigneter Sammelkörper angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3 iüi die Anwendung im Mikrowellenbereich, dadur -h ge- las kennzeichnet, daß das Bündelungssystem, das

prismatische Auslenksystem, das prismatische Rücklenksystem und der Sammelkörper aus Reflektoren bestehen und das Empfangselement eine Antenne oder ein tiefgekühlter Halbleiter ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3 für die Anwendung' im Bereich akustischer Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß das Bündelungssystem, das prismatische Auslenksystem, das prismatische Rücklenksystem und der Sammelkörper aus Reflektoren oder akustischen Linsen bestehen und das Empfangselement ein Mikrophon, ein Halbleiterelement, ein Thermoelement, ein thermopneumatisches Element, ein piezoelektrisches Element oder ein Resonator ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Bündelurigssystein und Empfänger zur Begrenzung auf einen bisstimmten Spektralbereich und/oder zur weiteren Unterdrückung von Hintergrundstrahlung ein Filter angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sammelkörper gleichzeitig, als Spektralfilter ausgebildet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschrift Nr. 1 087 838;
USA.-Patentschriften Nr. 2 873 381, 2 981 843.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

ι SO» 650/1 1172